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Torrefied Pellet이란?

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무산소 장치(reactor)에서 섭씨 250~300도 사이에 반탄화 (반탄화란 나무가 숯이 되는 중간점의 상태를 말함) 상태로 처리된 1차 가공자재로 제조된 우드펠릿을 Torrefied Pellet이라 합니다. 반탄화 처리시 열량에 불필요한 목재의 특성, 수분, 가스등을 제거하여 일반 원자재 비교 95%의 열량 효율성을 높인 우드펠릿입니다.
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그림 1.1 GRWC사의 복합 스쿠류타입 무산소 리엑터 (oxygen-less Multi heart Torrefaction reactor)



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그림 1.2 GRWC사의 복합 스쿠류타입 Torrefied Pellet 생산 프로세스



Torrefication (반탄화)란?

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상기 설명된 Torrefied (반탄화) 원자재로 펠릿형식으로 성형을 하면 Torrefied 펠 릿이 생산되며 또, 육각의 숯 형태로 성형이 되면 숯탄이 된다. Torrefied (반탄화) 기술을 쉽게 설명하자면 일반적으로 숯을 만드는 불가마에서 3일에서 7일동안 오랜 시간투자 및 비용투자를 하여 나무를 투자량에 비해 상대적으로 적은량의 숯으로 (가마당 10톤 미만) 숯화 시키는 과정없이 기계에서 최소의 에너지와 시 간을 투자하여 많은 양의 반숯을 저렴하게 즉시 생산하는 기술이다. 참고로 숯의 수입가격은 평균적으로 $650/톤이지만 Torrefied Pellet의 경우 수입가격이 $200/ 톤 미만임을 볼때 숯으로 성형할 경우 부가가치를 예상할수 있다.
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Torrefied (반탄화)화 된 원자재는 일반 목질의 원자재보다 높은 열량을 낼수 있다. 일반 우드펠릿의 경우 4000칼로리 수준의 열량을 위해 필수적으로 목재의 가지 및 껍집을 제거한후 우드펠릿을 만들어야 하지만 Torrefied 펠릿의 경우 가지, 껍 질등을 사용해도 무방하다. 참고로 일반적으로 2500 칼리로의 열량을 내는 왕겨펠릿의 경우 Torrefied 과정을 거칠경우 4000 칼로리의 열량을 내는 고효율의 펠 릿으로 생산될수 있다. 이는 대한민국과 같이 원자재가 제한적인 경우 목재대신 잡풀, 잔나무가지등의 주변의 원자재를 활용하여 높은 고효율의 바이오 에너지 펠릿 생산을 가능케 한다. 전세계적으로 인지하고 인증하는 차세대 바이오 연료 가 바로 Torrefied 연료이다.

Torrefied Pellet 장점 상세설명

  • ① Torrefied Pellet은 6500 칼로리로 (일반우드펠릿 3900~4800) 생산이 가능합니다. GRWC사에서 일반 활엽수로 6500 칼로리까지 (태국 과학기술부 NIA (National Innovation Agency) 시험자료) 끌어 올리는데 성공하였습니다.
  • ② 동일 부피로 많은 열량을 낼 수 있으므로 칼로리당 처리비용 절감이 극대화 되며 수분 흡수력이 최소화되어 보관이 용이하며 보관비용이 절감됩니다. KEMA (Keuring van Elektrotechnische Materialen te Arnhem, 에너지 컨설팅 그 룹) 연구결과 원자재를 반탄화 (Torrefication) 한 결과 기본 우드펠릿 100%의 원자재 질량의 37% 만으로 98%의 열량을 내는 것으로 증명됐습니다. 37%의 질량의 반탄화 (Torrefied) 원자재로 기존의 일반 우드펠릿 원자재 100% 질량 의 98%의 열량을 낼 수 있으므로 열량을 기준으로 구매하는 발전소등 산업용 보일러의 경우 적은 양으로 많은 열량을 낼 수 있기에 내륙 운송비 및 보관비 를 현저하게 절감할 수 있다. 실제로 2011년 미국 Topell사의 Torrefied Pellet 과 일반 우드펠릿의 보관비용과 운송비용을 매킨시 컨설팅사 (McKinsey)에서 조사한 결과 일반 우드펠릿은 $4,11 USD/GJ (기가 줄) 비용이 들어 갔고 Torrefied Pellet의 경우 $2,40 USD/GJ (기가 줄) 이 소요되어 58.3% (표1 참조) 의 비용이 절감됐다. (총 보관기간: 59일 기준, 항구에서 end buyer의 공장 또 는 발전소까지 트럭 탑재 (2번의 loading과 unloading기준)와 전체 운송비용 기준). Torreffied Pellet의 경우 성질이 거의 변하지 않으므로 (숯과 동일성) 1년 이상 보관을 해도 성질이 변하지 않습니다(일반 우드펠릿은 3개월이상 보관시 부폐가능). 이미지

    표 1. 유통 및 보관 비용 비교

  • ③ 반탄화 펠릿의 경우 발전비용에서도 큰 절감이 됩니다. 표1.에서 나타나듯이 크게 절 감되는 부분은 보관비용, 선발화비용 (Pre combustion cost, Grind ability (분쇄비용)과 발전비용입니다. 발전소 발전시 비용인 석탄대체비용과 Handling비용이 대표적인 발 전비용입니다. 미국과 유럽의 경우 반탄화 펠릿 발전 비용이 기존의 우드펠릿과 비교 시 $104.20/톤의 발전처리비용이 절감된다고 보고하였습니다. 반탄화 펠릿의 성분분 석표 (표 3. 참조)에서 나타나듯이 1톤의 반탄화펠릿에서 *20 GJ 이상이 생산되므로 톤당 최소 $5.21 X 20 = $104.20의 발전비용이 절감됩니다 (표2 참조). 이미지

    표 2. 발전소 발전비용 비교

  • ④ 발전소에서 Co-firing에 사용될 시 높은 열량과 적은 CO2량 (우드펠릿비교 최 대 90% 감소)을 배출합니다. (휘발 분 (volatile matter) 량에서 석탄 10 - 12% db와 비교해서 Torrefied Pellet은 55 - 65% db 이므로 높은 열 반응 율을 나타냅니다). 실제로 미국 매킨시 컨설팅사의 2011년 조사에 의하면 발전소에서 Torrefied Pellet의 경우 일반 우드펠릿 사용시 보다 적은 양으로 높은 칼로리를 축출 할 수 있기에 1GJ당 1.93 USD의 비용이 절감된다고 보고하고 있습니다(표1 참조). 일반적인 우드펠릿의 석탄과 Co-firing 비율은 최대 20-30%이나 Torrefied Pellet의 경우 최대 비율이 70-80% 혼합 가능합니다. 석탄과 비슷한 성질 및 높은 열량 및 현저하게 적은 유해 가스로 (일반우드펠릿에 함유되어 있는 염 소량이 거의 없음) 인해 보일러를 보호해 주기에 기존의 석탄 보일러에 큰 무 리를 주지 않는 이유입니다.
  • ⑤ Torrefied Pellet 과 일반 바이오 매스와 석탄의 성분 분석표
    Torrefied Pellet 과 일반 바이오 매스와 석탄의 성분 분석표
    비교사항 우드칩 우드펠릿 Torrefied Pellet 숯 석탄
    수분 (% wt) 30 – 45 7 – 10 1 – 5 1 – 5 10 – 15
    저 열량값 (MJ/kg) 9 – 12 15 - 18 20 – 24 30 – 32 23 – 28
    휘발 성분 (% db) 70 – 75 70 – 75 55 – 65 10 – 12 15 – 30
    고정카본율 (% db) 20 – 25 20 – 25 28 – 35 85 – 87 50 – 55
    밀도 (kg/l) Bulk 0.2 – 0.25 0.55 – 0.75 0.75 – 0.85 ~ 0.20 0.8 – 0.85
    에너지 밀도 (GJ/m3)
    (bulk)    		 2.0 – 3.0 7.5 – 10.4 15.0 – 18.7 6 – 6.4 18.4 – 23.8
    회분 (Ash) 0.7 – 10 0.4 – 10 3< 6< 10 - 40
    먼지 보통 제한적 제한적 높음 제한적
    흡습속성 높음 높음 낮음 낮음 낮음
    생물학적 성질변형 가능성 가능 가능 불가능 불가능 불가능
    분쇄 성 어려움 어려움 좋음 좋음 좋음
    취급용의성 특수 특수 좋음 좋음 좋음
    양질 변형가능성 높음 제한적 제한적 제한적 제한적
  • ⑥ GRWC 사에선 상기 Torrefied Pellet의 상용화에 성공하여 태국의 과학기술부 NIA (National Innovation Agency)로 부터 품질인증을 받았습니다. (NIA의 인증자료 및 NIA의 시험데이터는 태국 방문 시 NIA에 방문하여 확인가 능). 현재 전 세계적으로 Torrefication 기술력을 확보한 곳은 선진 유럽과 미국 으로 제한되어 있으며 현재 소량의 Torrefied Pellet이 생산되고 있습니다. GRWC 사는 아시아에서 유일하게 Torrefied Pellet 상용화에 성공하였으며 GRWC사의 반 탄화 과정에서 발생하는 가스를 채집하여 지열기관에 재 사용하는 친환경 에너지 절감용 Torrefied Pellet 생산기술에 대하여 특허출원을 했습니다.
  • ⑦ 1000톤/월 생산능력 기준의 Torrefication 기계의 경우 기계가격이 일반적으로 24억원정도로 거래가 되고 있는데 GRWC 사에서 기존가격의 20% 정도에 특 허된 생산기계를 제작합니다. 저 에너지 input과 고 에너지 output을 자랑하는 에너지 효율 최적화된 자체제작 Torrefication 기계는 높은 부가가치를 보장합 니다.
  • ⑧ 일반 성분적 장점 비교분석표
    일반 성분적 장점 비교분석표
    목록 일반 펠릿 반탄화 펠릿 비고
    칼로리 3800~4200 5600~7000 50%이상 고칼로리
    원자재압축량 1.6 2.4 500톤 우드펠릿
    = 300톤 반탄화 펠릿
    분쇄성 어려움 쉬움 석탄과 동일함으로 추가 설비 불 필요
    수분 10%미만 5%미만 수분율50%감소
    REC 가중치비교 1.0 1.5~2.0 예정 높은 효율과 높은 투자설비에 인한 가중치 증가
  • ⑨ 가격적 비교 분석표
    가격적 비교 분석표
    목록 일반 펠릿 반탄화 펠릿 비고
    원자재 1.6 2.4 500톤 일반펠릿 = 300톤
    반탄화펠릿 120불 = 172.8불
    (단순 원자재량 비교),
    관리비, 보관비용 절감
    설비비(1,000톤 기준) 10억 34억 투자 설비비 340%이상 증가
    유지 및 관리비용 낮음 높음 Torrefication 설비, 가스제거시설 및 Gasffication 설비등 추가 전문관리 필요
    열량 3800~4200 5600~7000 50% 칼로리 증가 120불 = 180불(단순 열량비교)
    예상가격 120+ 200+ 혼소 설비비용, 분쇄비용, 관리비용, 보관비용등의 발전비용 절감 효과 및 환경문제 해결효과
  • ⑩ 친환경적 성분비교
    친환경적 성분비교
    목록 일반 펠릿 반탄화 펠릿 비고
    칼로리 3800~4200 5600~7000 50%이상 고칼로리
    ASH 3%미만 1.5%미만 질량 대비 Ash 비교
    유해가스(S,N,Cl,Cd) - - 최대 90% 감소
    수분 10%미만 5%미만 열량효율 및 경제효과
  • ⑪ 석탄과 혼소비용 비교표이미지


탄화펠릿 생산공정(Manufacturing process of torrefied wood pellets)

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